晶体日记（二十三）-单晶测试容易犯的错误-以偏概全- X射线衍射XRD

前言

写这个的起因，是因为做DEMO时犯的一个错误。

其实很多测试看起来确实很简单，很多高大上的仪器，真正的操作其实也并没有什么繁琐的。甚至从培训的时候就能看的出来。大部分同学听完怎么操作就懒得再听下去了，于是20人结果经常坚持下来的人只有2人。我想大部分使用的人实际上连布拉格方程是什么都没有理解。不然也不会有那么多人始终分不清单晶衍射仪和粉末衍射仪的区别。

单晶X射线衍射SC-XRD是为了利用X射线衍射测定晶体的三维结构（实空间）而设计。通过测试单颗晶体，获取三维空间的倒易点阵信息。当有足够多的数据时，就可以用来解析晶体的平均结构。显而易见的是，它的局限性在于，它分析的实验操作者挑出的晶体个体，并没有获得大量样品的统计信息。（注意这里的重点是实验操作者，也就是我们这些晶体民工，这就是为什么，不同的人会给你截然不同的实验数据）。也就是说，这是单一个体和整体的问题。而粉末衍射仪PXRD则关注于大量样品的统计信息，涵盖的样品量更大，更容易从更广的视角发现更多的问题，但是它的缺点是丢失了单个样品更多的细节。更何况将三维的数据变成了一维，极大的增加了结构解析的难度。

▲图1 挑哪一个？

所以单从样本量的问题来看，单晶X射线实验（包括电镜更是如此），可能会犯以偏概全的毛病。实验中也经常会犯此类的错误。因为我们总是想去挑选我们认为的好晶体: 大，规则，漂亮。但是这些用师兄教的审美观挑出的晶体，真的会表示样品整体么？ 
实验

前几日做DEMO，拿到的样品是一个核磁管里看起来硕大但是混在一起的孪晶。其它信息都未知，只晓得是个有机分子，核磁没有解析出确切的结构。这是做单晶的日常，充满了对未知的探索，而不是像很多科研一样，都已经可以预测出结果了，还要做大一堆表征，美名其曰多方面验证，而且特别热衷于用看起来炫技的技术，其实并没有得到什么新的发现。

一顿砍瓜切菜，剔除掉周围的孪晶，终于获得了单颗晶体。方方正正符合极了我们对好晶体的审美。晶体的衍射也符合我们对好晶体的预期，衍射好的一塌糊涂，结构也是分分钟得以解析出来。然而老师在看到这个结构的时候，一脸的茫然，这个结构跟预期差别太大，没有预期的基团，跟核磁谱也完全对应不上。 

▲图2 “好”的晶体几乎完美的衍射图

看到这样的结果，马上反应这是杂质结晶了么？可是老师说样品是纯的。这不符合逻辑呀。

那么问题出在哪里呢?假设这里有另一种晶体存在，我们可以多挑几颗看起来不同的，说不定能挑到另一种。然而挑了数颗，基本都是一样晶胞参数的晶体。看起来这是个不符合预期的实验。然而会不会是我们的样本量还没有覆盖到呢，概率上不可以排除。但是这么挑下去完全是在做无头苍蝇样的实验，可能是白费功夫。

但实际上如前言所提到的，牵涉到这个问题，有效直接的方法是做一个粉末衍射。这个在D8 VENTURE上也是分分钟的事情。样品那干脆就不切了，取一大块的样品，稍微磨碎，按照单晶衍射仪做粉末的方法快速获得一个“大量”样品的粉末数据。然后将单晶的数据跟粉末的图进行比对，就可以知道这个样品是不是纯相了。

果不其然，如预想中的那样，我们会明显地看到PXRD的峰确实多了很多。而且有一个很高的主峰，跟已得到晶体结构完全不符。单晶做的旋转透射，所以择优取向的问题就可以刨除在外了。

▲图3 粉末的数据

所以这些多出的峰肯定表示还有其它物质的存在。

返回来继续在显微镜下仔细观察样品。显微镜放大到极限倍数，仔细去看这些晶体的表面。这时我们可以看到样品的表面，实际上有大量类似于沉淀样的团簇（无法拍照，脑补即可）。不过因为太小，太碎，太难看，所以基本上被打入了冷宫。然而这些沉淀样的物质是不是就是XRD中多出来的峰呢？这时候关于耐心的考验来了，眼睛快花了，努力挑选出其中一颗大约10um左右的片状晶体。我们会发现这个衍射着实十分差劲，拉长的衍射点，弥散的衍射信号，即便那么小了还是孪晶一个。虽然有挑战，但我确信这就是我要找的东西。即便所有的指标都不符合常规的单晶测试发表的标准，但那又如何。

▲图4 另一种“差”晶体的衍射

我根本不关心它的数据质量，我关心的是物相，以及它的结构，会不会找出这个样品到底发生了什么的答案。

虽然难测，但是这个晶体的结构还是可以解析出来。即便它是个奇怪的孪晶，奇怪的赝晶胞，但是这些都不是重点，这些只是在通往答案的路上的一点小问题。但结构解析出来，我们会发现这仍然不是老师预测想要的东西。但这个片段存在了核磁推测有的基团。

这是怎么回事呢？老师把两个结构对接了一下，去和核磁谱去匹配。发现这两个分子某种方式的合体会是和核磁谱匹配的分子。

所以现在答案就出来：在结晶的过程中，分子水解成了酸和醇。各自在同样的条件下生长出了晶体。

那晶体会不会还存在没有降解的第三种样品呢？

▲图5 两种物相的比对

比对出来 发现应该没有明显的样品，即便有也会是痕量的样品，也就失去了再去挑样品的意义。单晶不是用来发现那万分之一的显眼包的。
结果

预期半小时，结果却耗费了一下午的实验，结果还完全不是预期。但这就是科学实验本身的魅力。我们得到的结论是：下次如果想成功，需要先解决的样品水解的问题。
后记

看起来像是个例一样的事情，实际上在后续的半个月逐渐发挥了玄学上的扎堆理论。陆陆续续我们碰到了同一个条件下长出的药物的多晶型的问题，以及同一个瓶子里我们解析了三种不同的晶体结构，以及扎堆的内共生晶体。但这些的源头都是一样，谁说条件一下，长出的晶体就是一样的？从溶液到晶体实际上不知道发生了多少次转变，我们没有办法去直接操纵微观世界。

个体和整体是晶体学里常要研究的概念。所以PXRD和SC-XRD可以共同去发现问题。

同样关于仪器也是一样，很多人理解的单晶衍射仪只能做单晶，其实这也犯了仪器和实验技术等同的错误概念。D8 VENTURE单晶衍射仪其实是一个平台，它是完成单晶衍射实验的一个载体。借助的科学理论是布拉格衍射。但单晶衍射仪包含了X射线光源，检测器，测角仪，这些仪器的组件实际上是帮助完成单晶衍射实验的工具，实现科学数学理论的过程。但这些组件决定了它可以做很多事情。

所以想把无聊的事情玩出花样，得静下来去学学理论，才能不被仪器或者软件本身操控在一个狭隘的区域里。

结构精修也是一样。

转载于《布鲁克X射线部门》公众号